感受時空震顫的漣漪

100年前愛因斯坦廣義相對論預言了引力波的存在，經過半世紀的搜尋，這一宇宙學“世紀懸案”于2016年2月11日有了結果：人類首次直接探測到引力波！頓時各界沸騰！

這一“高冷”的基礎科學突破在普通人中也掀起了漣漪，就讓知力君帶領大家，聆聽引力波研究領域的權威們如何深度解密“引力波”！

陳雁北

加州理工學院物理學教授、美國物理學會會士、LIGO科學聯盟核心成員

1916年，愛因斯坦在他的方程中發現了所謂的弱引力場下的解，這個解便描述了引力波。從類比的方法來看，引力波很像水面上的波動。當水面振蕩時，它的振蕩會以水波的形式傳播出去。同樣的，時空幾何的振蕩會以引力波的形式傳播。不同的是，在愛因斯坦方程中，引力波是按照光速傳播的。

引力波是如何作用于物質的呢？我們類比于水波的圖像。水波有一個波長，半波長以內浮在水面上的船，隨著水波上下運動，距離較近的船，它們由水波導致的高度差就較小，而相距較遠的船，由水波引起的高度差就較大。

引力波也是類似的現象，兩個自由下落的物體，當引力波入射時，這兩個物體之間的距離會產生變化。產生距離變化的比例是引力波的振幅h。也就是說，距離為L的兩個物體，在引力波入射時，它們的距離變化大約是Lh。只要在波長以內，它們的距離越遠，引力波導致的距離變化就越大。

?引力波引起距離的變化

更詳細地說：引力波是一個橫波，它影響的是跟引力波傳播方向垂直平面之內的距離。沿著引力波方向的距離是沒有變化的。

引力波的數學發現以后，大家就考慮，引力波的物理效果是否可以被觀測到？通過愛因斯坦的計算，他認為引力波是非常難產生的現象。產生足夠大的引力波需非常大質量的或者是非常高能量的物體以非常快的速度運動。

20世紀90年代，美國國家科學基金會資助了世界上第一個大規模的引力波探測項目——激光干涉引力波觀測站（LIGO）。LIGO有兩個非常大的探測器，一個建在利文斯頓（Livingston），一個建在漢福德（Hanford）。

LIGO這兩大探測器的干涉的靈敏度非常高，對鏡子位置的測量達到10-18米。怎么形容呢？如果人頭發絲的細度是10-6米，降低1萬倍就變成氫原子的細度是10-10米，再減少10萬倍，就是氫原子核的細度是10-15米。因此，這個探測器的測量能達到氫原子核大小的1/1000，是非常靈敏的儀器。

既然可以測到這樣靈敏的位移變化，要保證沒有其他因素可以導致比這個還大的干擾信號。一個必要條件是將光干涉系統放在非常高的真空里，防止氣體分子對激光傳播的影響導致虛假的信號。另外就是要把反射光的鏡子懸掛起來，把鏡子和地面的振動完全隔離開。這樣就可以形成靈敏度非常高的引力波探測裝置。

?旋轉的雙中子星，正走向碰撞

2015年9月14日，我們用這兩個探測器分別發現了兩個時間為0.2秒的引力波事件。我們發現這兩個信號以0.7毫秒的時延錯位以后，他們的波形也在很大程度上吻合。

從波形中分析出這個事件是由兩個黑洞碰撞而導致的。兩個黑洞的質量是36倍和29倍的太陽質量，最后形成的黑洞是62倍的太陽質量。通過波振幅的大小可推算出這個事件離地球的距離是13億光年。通過這個波形，也對廣義相對論的推論進行了初步檢驗。

這次觀測的數據是從2015年9月份到今年1月份觀測數據的一部分，還有很大一部分是需要處理的，期待著有更多的雙黑洞碰撞事件。

除了雙黑洞的碰撞過程，地面引力波探測還可探測各種各樣的天文事件，如雙中子星的碰撞過程。在LIGO看到雙中子星碰撞的過程，這對我們理解中子星的結構、探索伽馬射線暴的根源是有指導意義的。

利用LIGO還可以探索宇宙弦系統，這是早期宇宙中有可能形成的拓撲缺陷，能量分布呈不均勻的脈動的弦狀結構。最后也可能對宇宙大爆炸開始時產生的原初引力波背景進行探索。

除了地面引力波探測，未來還會進行多波段引力波天文學的研究。如歐洲的愛因斯坦探測器是第三代的引力波探測器，可覆蓋1赫茲至10千赫茲。空間引力波探測可探測到0.1毫茲至1赫茲之間的引力波，可觀測到星系中心超大質量黑洞碰撞的過程。這對于星系的形成演化是非常重要的。

目前引力波探測只是一個起點，未來我們會有多波段的引力波探測。今天的引力波探測不但是廣義相對論和黑洞的直接驗證，也是新的天文學觀測手段。

曹軍威

清華大學信息技術研究院研究員、清華大學天體物理中心兼職研究員，

LIGO科學合作組織成員

?LIGO公布探測到的引力波信號的數據波形

陳教授將引力波的探測、原理、實驗這些部分給大家做了非常系統的介紹。我想結合我們參與引力波探測的實際工作，簡單介紹一下引力波的數據分析。

實際上科學家最后看到的信號是從數據分析系統中看到的。這里面顯示的是一個在線的數據分析，它的一些突出事件的信息會非常快、實時地反映在控制室里，我們能實時看到并進行分析，這個我們叫在線的數據分析。

另外一方面，還有離線的數據分析，那就是我們需要大量的計算機，大量的存儲，分布在全世界各個研究機構，讓大家共享一些數據資源，我們叫它離線數據分析。

我們最終看到的這個引力波的信號，它在數據分析里是怎樣一個過程呢？簡單跟大家介紹一下。

這個事件發生在2015年9月14日，第一個“信息”（message）發生在2015年9月14日5點54分，在信號發生3分鐘后，我們LIGO在線的程序流水線就探測到了這個信號，這個流水線我們叫Coherent Wave burst，CWB流水線，能很簡單地在線測量信號的能量。如果LIGO的兩個天文臺測得了一致性的信號，我們就把它作為一個“候選人”（重點天文事件的研究對象）拿出來。這次的引力波事件在3分鐘內，我們沒有模型的流水線就拿到了這樣的信號。

我們清華大學也參與了LIGO的CWB流水線的工作，我們是從計算機自動化的角度，利用GPU技術加速了CWB的運行效率。即把由很多部分組成的程序拿來，分析其中哪些是能加速的拿出來加速，并把加速效果最好的部分拿出來給大家，這樣就能將CWB的運行效率提高10倍甚至更高。

我們在數據分析中，除了處理這些沒有模型的流水線，還參與了比如CBC的流水線。它是一種可以有一些模型，再用這些模型去比對這些數據的分析工作。此次引力波事件的數據分析中，最后的顯示是非常顯著的。同時，它的信噪比達到了23以上，標準的希格瑪值達到5以上，通常值達到5以上就被認為是“發現”（該天文事件發生的證據）。這次發現引力波事件在后期的數據分析中，無論是沒有模型的分析，還是有模型的分析，都達到了很高的顯示度。

?聆聽時空震顫的漣漪

在此次事件中，我們清華大學也做了這個背景到底該怎么計算的工作。其中一種計算方法是，我們拿到了一個月的數據去做背景，然后看這個信號（此次的引力波事件的信號）跟背景對比是什么關系。另一種是把這個信號放在背景里做出一個背景。這兩種不同的計算方式對判斷它們是不是同一個信號起了不同作用。還好這次的“發現”無論是哪種方法，這個信號都非常突出，我們也對這個系統誤差的方法做了一定的工作。

此外，此次事件中我們清華大學還用GPU的方法對有模型的比對流水線進行了加速。這項工作是和西澳大利亞大學共同開展的。這個流水線在線時沒看到這個信號（他們在線時在搜索更小質量的雙星系統，沒看到此次引力波的信號），但在離線處理這個數據時驗證了這個信號。我們用GPU加速的流水線可提高處理速度50多倍，目前能提高120多倍，這也是我們清華大學團隊的一個工作。

現在LIGO儀器的靈敏度達到了一定的程度，我們能夠探測到引力波信號了。其實很長一段時間內，我們的探測器還探測不到引力波信號。此時，數據分析在做一項什么工作呢？它在做怎樣來分析這些噪聲的工作，這些噪聲到底來源于哪里？通過數據分析能夠辨別出這些噪聲的來源，如源自飛機飛過，或一輛火車開過等，這些噪聲都可能影響探測器的運作。我們能通過噪聲分析進而提高儀器的靈敏度，其實能幫助儀器提高靈敏度，也是數據分析的貢獻之一。

最后，我們清華大學還參與了整個引力波數據的計算機平臺的工作。引力波的數據量雖沒有高能物理那么大，但也是PB（petabyte，它是較高級的存儲單位）的量級，也很大，在LIGO各個合作組織里有幾PB的數據分散在各地。全世界有幾百萬科學家在訪問這些數據，這一平臺我們也在參與著做。我們跟澳大利亞合作的過程中發現，全球網絡未來是非常重要的一個方面，它可以提高天文事件探測的精度和定位的精度。

清華大學在LIGO的合作組織中只是其中一員，LIGO有幾十家單位，幾百位科學家參與其中。有一部分成員是做儀器的，但更多科學家是做數據分析工作的。這次引力波的發現，我們非常有幸能參與其中，可以說2016年2月11日宣布了這一發現，我們清華大學團隊非常自豪見證了這一事件。

多年以后，面對浩瀚星海，遠航的星艦文明將會回想起2016年2月11日，人類公開宣布首次探測到引力波信號的那個遙遠夜晚。